一种新型四代镍基粉末高温合金挤压过程数值模拟及试验验证

采用正交设计与有限元模拟相结合的方法对热等静压态的一种新型四代镍基粉末高温合金包覆挤压工艺进行了优化设计,分析了坯料初始温度、挤压速度、模具模角等关键参数对挤压棒材的应变、温度分布及成形载荷的影响。结果表明:随着挤压速度、模角的增大,挤压棒材的温度、应变及挤压载荷升高;随坯料初始温度的升高,挤压棒材温度升高,挤压载荷降低;坯料初始温度、挤压速度对应变分布无影响。基于模拟结果给出的优化热挤压参数为:坯料初始温度1090~1100℃,挤压速度30~40 mm/s,模角40°。采用优化的工艺参数组合进行热挤压试验,获得了晶粒度10级以上的热挤压细晶棒材。

航天用镍基高温合金粉末床熔融技术研究进展

采用激光粉末床熔融技术(LPBF)制造镍基高温合金具有较大的生产潜力,在航空航天领域有着广泛的应用,因此这一技术受到了高度关注。近年来,为了更好地了解LPBF-镍基高温合金的性能和使用极限,相关学者对其开展了大量的研究工作。本文基于近年来多项LPBF-镍基高温合金的研究,阐述了该领域的研究目标和重要发现,并列举了LPBF镍基高温合金在航天工业中的具体应用。总体分析了工艺参数和热处理对镍基高温合金及其复合材料增材构件组织及力学性能的影响,以及LPBF过程中常用的建模方法及研究进展。最后,对LPBF-镍基高温合金的未来发展方向提出了展望。

激光粉末床熔融镍基高温合金开裂行为研究

增材制造专用镍基高温合金研发需要经历成分设计-制粉-打印-表征,该过程周期长、成本高,严重限制了增材制造用新型合金的快速研发和应用。针对这一问题,本文提出以激光扫描合金块体材料评价其粉末材料打印性的思路,避免成分设计过程多次制粉。以4种典型镍基高温合金(Inconel 718,Hastelloy X,CM247LC,Inconel 939)为研究对象,采用激光扫描合金粉体和块体材料,研究不同合金在激光扫描其粉体和块体过程中的开裂关联性。结果表明,裂纹敏感性低的Inconel 718合金,激光扫描粉体和块体试样中均未发现裂纹;裂纹敏感性高的CM247LC和Inconel 939合金,激光扫描粉体试样中存在由于凝固末期枝晶间液相补给不足,在热收缩拉应力下形成的凝固裂纹和热循环过程残余应力导致的固态裂纹,而激光扫描块体试样中仅存在凝固裂纹,表明两种状态试样裂纹类型不同,但开裂趋势一致;裂纹敏感性介于上述合金之间的Hastelloy X合金,激光扫描粉体试样可在一定工艺窗口范围内实现无裂纹,而激光扫描块体试样时,在本文采用的所有参数下均存在裂纹,两种状态试样开裂趋势存在差异,但均为凝固裂纹。

混合钎料对镍基单晶高温合金大间隙钎焊接头组织和性能的影响

【目的】采用一种新型镍基钎料和母材成分一致的高熔点合金粉混合的方法制备出混合钎料,研究了添加的高熔点合金粉的粒径和配比对钎缝微观组织和力学性能的影响。【方法】采用扫描电子显微镜对钎焊接头的析出相、元素分布、微观组织进行了分析,并对钎焊接头的硬度及持久性能进行了测试。【结果】研究表明,接头主要由钎料合金区(FAZ)、界面连接区(IBZ)和扩散影响区(DAZ)三部分组成。钎料合金区主要由M3B2和M8B型硼化物及γ/γ′相组成。界面连接区由γ和γ′沉淀强化相组成。当合金粉粒径为44μm和75μm时,均可得到无缺陷的焊接接头;但当合金粉粒径尺寸达177μm时,钎缝内会形成孔洞缺陷。【结论】随着合金粉比例的提高,接头连接区的显微硬度有所上升。当合金配比由30%到50%,接头的持久寿命由15 h增加至34 h;但进一步提升比例至60%时,接头的持久寿命下降至0.6 h。该文的结果可为实现高温热端零部件的连接和修复工程应用提供理论依据和参考价值。

新型第3代镍基粉末高温合金的热变形行为及本构方程

基于Gleeble等温热压缩实验,研究了不同变形温度(1050~1150℃)、不同应变速率(0.001~1 s^(-1))条件下热等静压态新型第3代镍基粉末高温合金WZ-A3的热变形行为。得到合金在不同变形条件下的流变曲线,分析了高温合金变形过程中微观组织的演变规律,建立了能准确描述高温合金热变形行为的本构方程,并绘制了热加工图。结果表明:变形温度由1050℃升高至1150℃时,热等静压态WZ-A3合金的峰值流变应力(以应变速率0.01 s^(-1)为例)由232 MPa显著降低至60 MPa;应变速率由0.001 s^(-1)增加至1 s^(-1)时,峰值流变应力(以变形温度1080℃为例)由93 MPa显著升高至312 MPa。建立的本构方程具有良好的拟合性,能够真实反映流变应力在不同变形条件下的变化规律。变形温度为1130~1150℃、变形速率为0.16~1 s^(-1)时,能获得均匀细小的热变形组织,并进行了热挤压实验验证。

镍基粉末高温合金冶金工艺的研究与发展

叙述和分析了镍基粉末高温合金冶金工艺三十多年来在制粉及粉末处理工艺、成型工艺、热处理工艺等方面的研究成果和存在的问题 。

飞机涡轮盘用镍基粉末高温合金研究进展

综述了国内外飞机涡轮盘用镍基粉末高温合金的研究进展,分析了国内在粉末高温合金的研制过程中面临的问题及其解决途径。

FGH95镍基粉末高温合金的研究和展望

粉末高温合金由于自身特有的组织和性能特点成为先进航空发动机涡轮盘和涡轮挡环的优选材料。总结我国20世纪80年代初开始研制的第一代镍基粉末高温合金FGH95在制粉工艺、粉处理工艺、成形工艺和热处理工艺等方面的研究工作。着重介绍FGH95合金生产中所采用的等离子旋转电极制粉工艺(Plasma rotating electrode process,PREP),筛分和静电分离去除夹杂工艺,直接热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)和热等静压+包套锻造(HIP+Forging)成形工艺,以及固熔+盐淬热处理工艺。展望氩气雾化制粉(Argon atomizatio,AA)和直接热等静压成形在FGH95合金低成本制造上的发展优势和高固溶缓冷热处理工艺对提高合金抗疲劳裂纹扩展能力的影响,提出下一步的研究方向。

镍基高温合金快速凝固粉末颗粒中MC型碳化物相的研究

对等离子旋转电极雾化(PREP)法制备的FGH95镍基高温合金粉末中碳化物的形态、结构、成分及其稳定性进行了实验研究,分析了粉末颗粒凝固过程中的热学参数和非平衡溶质分配对碳化物形成过程的影响.结果表明:快速凝固FGH95合金粉末中亚稳MC型碳化物形态的几何完整度随粉末颗粒尺寸减小由规则形态向复杂形态变化,不同尺寸粉末颗粒中碳化物的形态和数量决定于凝固过程中热学参数的变化和非平衡溶质分配系数的不同.亚稳MC型碳化物在加热作用下发生分解及合金元素再分配,其形态由复杂形状为主转变为规则形态的稳定MC型碳化物.

镍基粉末高温合金中夹杂物导致裂纹萌生和扩展行为的研究

采用扫描电镜原位拉伸和原位疲劳的方法,跟踪观察了人工植入Al2O3夹杂物的镍基粉末高温合金P/MRene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程,结果表明,无论是在单轴拉伸还是低周疲劳实验中,裂纹均首先萌生于脆性非金属夹杂物Al2O3处,大于一定尺寸的夹杂物,还会使该裂纹扩展成为导致合金断裂的主裂纹,从而大大降低合金的屈服强度、断裂强度及低周疲劳寿命。

镍基粉末高温合金的组织、性能与成型和热处理工艺关系的研究

分析了镍基粉末高温合金的成型、热处理等冶金工艺及夹杂缺陷的性质等与合金组织和性能的关系,描述了粉末高温合金的热处理工艺,提出了今后我们粉末高温合金组织性能研究工作的重点。

新型镍基粉末高温合金的高温变形行为

采用Gleeble-1500热模拟机对新型第三代镍基粉末高温合金FGH98Ⅰ在不同变形温度（950～1150℃）及不同变形速率（0.0003^1s-1）下高温变形行为进行了研究,绘制了动态RTT曲线,并建立了合金的热变形本构关系。结果表明：合金的流变应力随变形温度的升高和应变速率的降低而降低,当变形温度≤1100℃、应变速率≥0.0003s-1时,其流变应力随应变量增加呈动态再结晶特征;在应变速率≤0.01s-1的高温变形条件下,其动态再结晶的开始时间与变形温度无线性关系;实验验证了采用考虑应变量的双曲正弦模型能较好地反映合金在热变形过程中流变应力的变化规律。

涂层刀具铣削粉末冶金镍基高温合金试验研究

采用涂层硬质合金刀具进行了粉末冶金镍基高温合金的铣削刀具磨损试验，并运用扫描电镜和能谱分析技术分析了刀具的磨、破损形态和磨损机理．采用多因素正交试验对粉末冶金镍基高温合金的铣削力、刀具寿命进行研究，使用最小二乘法等方法和回归分析建立了铣削力、刀具寿命的经验模型．利用等寿命一效率响应曲面法，对干铣粉末冶金镍基高温合金的切削参数进行了优化．结果表明：粘结磨损和磨粒磨损是主要的磨损机理；在不同的切削速度下刀具失效形式不同；建立的铣削力及刀具寿命经验模型高度显著，进给量对铣削力和刀具寿命的影响显著；干铣加工粉末冶金镍基高温合金理想的切削用量为切削速度40～60m／min、轴向切削深度0．15～0．20mm、径向切削深度10～20mm、每齿进给量0．08～0．10mm．

PREP工艺制造的镍基高温合金粉末中夹杂物

夹杂物是影响粉末冶金产品质量的主要因素之一。采用SEM、XRD、EPMA等手段通过对等离子旋转电极制粉工艺(PREP)制取的镍基高温合金粉末中夹杂物的形貌特征、化学组成的研究,将不同工序处理后粉末中的夹杂物进行分类,统计分析其存在形式、尺寸、数量及分布。结果表明:粉末中的夹杂物按产生机制和来源主要分为陶瓷、熔渣、有机物、粉末粘连夹杂物或升华物形成的异常颗粒。经过筛分和静电处理后,残留在成品粉末中的陶瓷占夹杂物总数量的7%,熔渣占53%,有机物占40%。筛分和静电分离去除各类夹杂物的能力主要与成品粉末的粒度和夹杂物的密度、介电常数及其尺寸、形态有关。

拉伸载荷下镍基粉末高温合金中夹杂物行为

采用扫描电镜原位拉伸方法,跟踪观察了人工植入Al2O3夹杂物的镍基粉末高温合 金P／MRene95中夹杂物导致裂纹萌生、扩展乃至断裂的过程.结果表明,在单轴拉伸载荷下, 裂纹首先萌生于脆性非金属夹杂物Al2O3处,大于一定尺寸的夹杂物,还会使该裂纹扩展成为 导致合金断裂的主裂纹,从而大大降低合金的屈服强度及断裂强度.

氩气雾化René104镍基高温合金粉末的显微组织和凝固缺陷

采用氩气雾化制备René104(ME3)镍基高温合金粉末,对粉末的粒径分布、形貌、显微组织和凝固缺陷进行分析。研究结果表明:氩气雾化René104高温合金粉末氧含量较低,以球形和近球形为主;细粉收得率高,粒径小于75μm的粉末达到70%。小于60μm的粉末成分均匀,表面光滑,内部结构致密,具有典型的胞状晶组织。随着粒径的增大,粉末表面和内部开始出现树枝晶组织,显微组织为胞状晶+树枝晶;具有胞状晶+树枝晶组织的粉末开始出现内部凝固缩孔和空心现象,粒径大于75μm粉末明显观察到内部凝固缩孔和空心缺陷。

不同粒度的镍基高温合金粉末及其对P/M成形件组织性能影响的研究

研究了用PREP法制造的不同粒度范围的FGH95合金粉末的物理特征及其HIP成形件的组织性能。结果表明 ,使用 5 0～ 10 0 μm和 5 0～ 15 0 μm粒度范围的粉末是降低成本、简化工序、保证产品质量的最佳选择。

应变速率对挤压态镍基粉末高温合金异常晶粒长大的影响

采用真空等温热变形试验机在恒应变速率和真空环境条件下,对挤压态镍基粉末高温合金试样20 mm×20mm×50 mm进行了等温应变梯度变形试验研究。分别在最大应变速率0.001、0.01、0.1、1 s-1和变形温度1070℃条件下,所有试样最大应变处等温变形至真应变1.0。结果表明:随应变速率的升高,异常晶粒长大位置由大应变区逐渐移至小应变区,异常晶粒长大变得严重,而在高应变速率时,温升越大,试样异常晶粒长大的情况越严重;借助EBSD技术可以计算晶粒形变程度,大应变区域具有较大的晶粒形变程度,异常晶粒长大区域具有较小的晶粒形变程度,由于晶粒形变程度高的区域位错密度大,晶内储存能量较高,易于发生再结晶,晶粒形变程度低的区域位错密度小,位错优先用于晶粒长大。

镍基粉末高温合金的研究进展

镍基粉末高温合金主要应用于航空航天领域,是高推重比发动机的关键材料。本文综述了近年来国内外镍基粉末高温合金在成分设计、粉末制备、成形、烧结及后续热处理等方面的研究成果和存在的问题,提出了镍基粉末高温合金今后的发展方向。

涂层硬质合金刀具铣削粉末冶金镍基高温合金时的失效机理

使用涂层硬质合金刀具,对粉末冶金镍基高温合金进行了干式面铣试验.采用电子扫描显微镜(scan-ning electron microscopy,SEM)、数码显微镜(digital microscope,DM)和能谱探针(energy dispersive spectrometry,EDS)等工具,对硬质合金刀具前、后刀面的磨、破损形貌和失效机理进行了分析与研究.研究结果表明:涂层刀具的主要失效形式为崩刃和前刀面的剥落;失效机理为高温条件下磨粒磨损、粘结磨损、扩散磨损和疲劳磨损的综合作用.